表面科学工程-无机非金属表面课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,无机非金属材料的表界面,陶瓷表面,表面结构,表面特征与行为,表界面对陶瓷性能的影响,玻璃表界面,表界面结构,玻璃表、界面的化学组成与化学反应,玻璃表界面的性能及其改进,玻璃表界面的表征,无机非金属材料的表界面陶瓷表面,1,非金属元素在周期表中的位置,非金属元素在周期表中的位置,2,非金属元素特征,由于非金属元素的原子最外层中可以成键的价电子数多，具有多种氧化态。,非金属元素的成键特征是：一方面能形成离子键；另一方面(也是主要的一方面)能形成共价键。这是由非金属元素原于的外层电子构型、原子半径和元素的电负性所决定的。,非金属元素特征由于非金属元素的原子最外层中可以成键的价电子数,3,一、陶瓷表面,表界面结构,表面特征与行为,表界面对陶瓷性能的影响,一、陶瓷表面表界面结构,4,表界面结构,表面弛豫,表面重构,晶界,相界,表界面结构表面弛豫,5,表界面结构,（a）弛豫 （b）重构 （c）偏析 （d）台阶,表界面结构（a）弛豫 （b）重构 （c）偏析 （,6,晶 界,大、小角度晶界,晶 界大、小角度晶界,7,相 界,非共格相界,共格相界,准共格相界,相 界非共格相界,8,金属与NaCl小角度晶界刃型位错比较,金属与NaCl小角度晶界刃型位错比较,9,表面科学工程-无机非金属表面课件,10,晶界构形,（1）固-固-气,（2）固-固-液,热蚀角,固-液-固平衡角,晶界构形（1）固-固-气热蚀角固-液-固平衡角,11,（3）固-固-固杂质在陶瓷晶界的分布,（3）固-固-固杂质在陶瓷晶界的分布,12,不同两面角下第二相分布,=0 =135,不同两面角下第二相分布 =,13,陶瓷是一种多晶或微晶体系。陶瓷的晶界要比金属和合金的晶界宽，结构和成分都非常复杂：,陶瓷主要由带电单元，以离子键为主体构成，带电单元影响晶界的稳定性。,陶瓷中的少量杂质对晶粒尺寸和晶界性质起确定性影响。,陶瓷是一种多晶或微晶体系。陶瓷的晶界要比金属和合金的晶界宽，,14,陶瓷表面特征与行为,晶界应力,晶界电位及空间电荷,陶瓷表面特征与行为晶界应力,15,晶界应力,晶界应力,16,表界面对陶瓷性能的影响,PTC热敏电阻陶瓷,电阻率随温度变化的材料，分为四大类：,负温度系数，正温度系数，临界热敏，线性热敏；主要通过掺杂实现；用于定温加热器，延时开关，马达启动器等。,气敏陶瓷,分为半导体式，固体电解质式,利用表面气体吸附导致电导率变化；,压敏陶瓷,通过电压变化导致电阻率的变化。主要有：ZnO压敏，SiC压敏，硅压敏，锗压敏；用于电力系统，电器过压保护及高压稳压等。,表界面对陶瓷性能的影响PTC热敏电阻陶瓷,17,气敏陶瓷系列,气敏陶瓷系列,18,ZnO压敏陶瓷显微结构,添加了Bi、Mn、Co、Ba、Pb、Sb、Cr等氧化物,晶界,ZnO压敏陶瓷显微结构 添加了Bi、Mn、Co、Ba、Pb,19,ZnO晶界能带图,耗尽层厚度,富Bi,能垒,电压变化,ZnO晶界能带图 耗尽层厚度富Bi 能垒电压变化,20,二、玻璃表界面,表界面结构,玻璃表、界面的化学组成与化学反应,玻璃表界面的性能及其改进,玻璃表界面的表征,二、玻璃表界面表界面结构,21,玻璃表界面结构,玻璃新表面上存在不饱和键，能吸附大气中的水；并和水反应形成各种羧基团。,SiO,2,和石英断裂表面形成等量的 E（过剩氧）单元，D（不足氧单元）单元。,玻璃表界面结构玻璃新表面上存在不饱和键，能吸附大气中的水；,22,（a）石英晶体断裂表面结构,（b）石英玻璃断裂表面结构,（a）石英晶体断裂表面结构（b）石英玻璃断裂表面结构,23,表界面结构,亚表面层（10,-4,10,-5,cm）特点：,（1）几何表面熵值梯度变化；,（2）亚表面缺陷多，具有微多孔性；,（3）亚表面不对称，造成热振动非谐性。,据此可解释表层流变、裂纹、离子交换等现象。,表界面结构亚表面层（10-410-5 cm）特点：,24,陶瓷的亚表面层结构,陶瓷的亚表面层结构,25,玻璃表、界面的化学组成与化学反应,玻璃表面的化学组成,由于挥发、富集等因素，使成分随深度而变化。,玻璃表、界面的化学反应,包括：玻璃表面与水、酸、碱以及气体的反应。,硅酸盐玻璃表面受浸蚀后有五种类型状态：,玻璃表、界面的化学组成与化学反应玻璃表面的化学组成,26,玻璃表面化学反应：五种类型,不溶型,可溶型,玻璃表面化学反应：五种类型不溶型可溶型,27,玻璃表面与水反应,例如：100,300与水蒸气作用：,与水结合：,氢氧根离子与硅氧键作用：,形成多孔高硅膜脱碱反应,玻璃表面与水反应例如：100300与水蒸气作用：与水,28,玻璃表面与酸反应：,例如：钠钙硅盐玻璃受酸浸蚀时：,实质是酸中H,+,与玻璃中Na,+,，Ca,+,发生互相扩散。,玻璃表面与碱反应：,键断裂，结构破坏，SiO,2,溶出。,玻璃表面与酸反应：例如：钠钙硅盐玻璃受酸浸蚀时：实质,29,玻璃表面的风化,玻璃与大气的作用称风化，出现雾状薄膜或点线状模糊物，甚至彩虹，白霜，粘片现象；玻璃风化又称霉变。,风化过程：,吸附大气中的水与水反应对玻璃浸蚀随时间浸蚀加重,玻璃表面的风化玻璃与大气的作用称风化，出现雾状薄膜或点,30,玻璃表界面的性能及其改进,玻璃表界面的性能,（1）光学特性,平整度与光波长度关系,（2）电学性质,碱离子进入水膜，使玻璃表面导电率升高。影响因素：,环境温度与湿度,玻璃化学稳定性,玻璃表面状态,（3）力学性能,玻璃表界面的性能及其改进玻璃表界面的性能,31,玻璃表面的改性,玻璃表面涂膜改性,减反膜，导电膜，玻璃表面强化,离子注入玻璃表面改性,离子注入对折射率，硬度造成影响。,玻璃表面的改性玻璃表面涂膜改性,32,陶瓷层涂敷工艺,补充内容,陶瓷层涂敷工艺补充内容,33,涂装方法刷涂、滚涂、刮涂、浸涂、淋涂、空气喷涂等；,涂装方法刷涂、滚涂、刮涂、浸涂、淋涂、空气喷涂等,34,搪瓷用瓷釉是化学成分较复杂的硅酸盐玻璃，化学成分不同其性能有较大差异。一般瓷釉主要由四类氧化物组成：,搪瓷用瓷釉是化学成分较复杂的硅酸盐玻璃，,35,搪瓷涂层,搪瓷是将玻璃质瓷釉涂敷在金属底材表面，经过高温烧结而成在整体上有金属的力学强度，表面有玻璃的各种特性。,搪瓷涂层搪瓷是将玻璃质瓷釉涂敷在金属底材表面，经过高温烧结而,36,搪瓷的分类,按金属底材分类有钢板搪瓷、铸铁搪瓷、铝搪瓷和耐热合金搪瓷等，,按瓷釉组成结构和性能分类有：锑白搪瓷、钛白搪瓷、微晶搪瓷、耐酸搪瓷和高温搪瓷等；,按用途分类，有日用品搪瓷、艺术品搪瓷、建筑搪瓷、电子搪瓷、医用搪瓷等,。,搪瓷的分类按金属底材分类有钢板搪瓷、铸铁搪瓷、铝搪瓷和耐,37,在飞机、汽车、船舶等的发动机的排气管、某些耐热器具和部件上应用,。,在飞机、汽车、船舶等的发动机的排气管、某些,38,高温合金搪瓷抗高温燃气流腐蚀和冲刷的性能好，热导率比合金低；在有液膜或气膜冷却部件时搪瓷可降低合金底材的使用温度，特别适合作为高性能航空发动机的村套、导向叶片、燃烧室和尾喷管等高温合金部件的保护涂层，提高这些部件的设计和使用温度或延长其使用寿命。,高温合金搪瓷抗高温燃气流腐蚀和冲刷的性能好,39,涡轮转子高温搪瓷涂层,涡轮转子高温搪瓷涂层,40,涡轮球壳搪瓷涂层,涡轮球壳搪瓷涂层,41,练习题（一）,何谓材料表面？表面与界面有何区别？,固体的表面特性是什么？如何理解固体的表面能与表面张力？,什么是接触角？如何根据Young方程来判定润湿性好坏？,比较说明三种类型的固体润湿过程。,如何理解动润湿与动接触角？,写出描述液体表面的Laplace方程，Kelvin方程与Gibbs方程，并说明其意义。,绘图简要述说金属的真实表面。,什么是金属表面的吸附粒子超点阵？如何用Wood标注法表明超点阵与金属表面点阵的相互关系？,比较固体表面与液体表面的特性。,练习题（一）何谓材料表面？表面与界面有何区别？,42,练 习 题（二）,什么叫PVD？它包括哪些方法？,什么叫化学气相沉积？其沉积反应有哪几种？,简要说明PVD与CVD的主要不同点。,表面预处理的目的是什麽？它包括哪些内容？,什麽叫电镀？简要说明电镀液的基本组成与作用,什麽叫合金电镀，合金电镀的基本条件是什么？,什么叫渗镀？渗镀层的特点是什么？,什么叫化学转化膜？举例说明它的用途。,化学转化膜为什么要进行后处理？常用的方法有哪几种？,简要说明铝及铝合金阳极氧化膜的性能。,练 习 题（二）什么叫PVD？它包括哪些方法？,43,练 习 题（三）,什么是表面弛豫？绘出NaCl晶体的表面弛豫示意图。,陶瓷脆性的原因？如何改善陶瓷材料的脆性？,玻璃亚表面的主要特点。,玻璃表、界面化学反应的类型与特点。,说明玻璃表面改性的方法，并例举其应用。,材料表面分析的主要特点。,简要说明表面分析的主要方法。,采用什么方法对下面表、界面进行分析：,（1）拉伸断口,（2）复合镀层的观察,（3）合金的晶界,（4）陶瓷的表、界面观察,练 习 题（三）什么是表面弛豫？绘出NaCl晶体的表面弛豫示,44,